PEG400在樟子松內擴散效率及對干縮特性的影響*

王　碩　王書文　楊亮慶**

（1.黑龍江省木材科學研究所，哈爾濱　150081；2.哈爾濱松江雙象木業有限公司，哈爾濱　150036）

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PEG400在樟子松內擴散效率及對干縮特性的影響*

王碩1王書文2楊亮慶1**

（1.黑龍江省木材科學研究所，哈爾濱150081；2.哈爾濱松江雙象木業有限公司，哈爾濱150036）

摘要：采用PEG預處理方法是解決木材圓盤干燥開裂的重要途徑，認識PEG在木材內的擴散效率及其對干縮特性的影響，對于科學制定預處理工藝具有重要意義。本研究以樟子松為試材，采用增重率、增重速率等指標為評價依據，對PEG400沿木材順紋方向的擴散效率和對干縮的影響進行研究。結果表明：順紋長度、預處理時間是影響PEG400在木材內部擴散效率的重要因素，PEG400進入量與其對木材干縮特性的影響具有一定的相關性。

關鍵詞：PEG400；擴散效率；干縮特性；樟子松

*黑龍江省財政項目“基于干燥應變理論的木材圓盤可干燥性評價方法研究”

PEG是具有良好基本特性的木材膨脹劑，可顯著提高木材的尺寸穩定性能，從而降低各向異性引起的干燥應力、降低干燥缺陷發生的可能[1-2]。楊亮慶等[3]在采用PEG400預處理改良楓樺圓盤的研究中已取得良好的效果，有效地解決了木材圓盤的開裂問題，為木材圓盤類制品的進一步開發應用及該產業的蓬勃發展奠定了良好的理論研究基礎。研究中發現，隨著圓盤徑級的增大，木材可干燥性下降，開裂缺陷發生的概率大幅增加，材料利用的難度增大；同時，因不同樹種材性差異較大，對PEG400的吸收也不盡相同[4]。因此，有必要在已有研究的基礎上，對不同樹種逐步開展相關測試研究，通過認識PEG400的進入量、改良效果與處理時間的關系，為預處理工藝的制定奠定基礎，從而推動該項產業的快速發展。

1　試驗材料與方法

1.1試驗材料

試材所用樹種為俄羅斯樟子松，初含水率為26%左右；PEG400，化學純，天津科密歐化學試劑有限公司提供。

1.2研究方法

由于加工試材的原木并非當年新材，陳放約1年左右時間，使得樟子松板材含水率低于30%，遠低于生材含水率水平。考慮到木材含水率與PEG進入效率密切相關，含水率越高時PEG進入效率越高[5-6]，因此預處理前將試件置至于水槽中進行浸水處理，處理時間為72 h；之后擦干表面水分稱重，用于計算浸泡處理后的試件含水率。盡管PEG沿木材順紋方向移動較沿橫紋方向移動效率高很多，但由于圓盤制品隨用途不同厚度也不一致，因此有必要研究順紋移動距離（即圓盤厚度方向）對PEG進入效率的影響。按照厚度不同制作3個規格試件，截面規格均為20 mm×20 mm，長度規格分別為20、40和60 mm；處理時間設定為0（對照試件）、4、8、16、24、36、48、72、96和120 h。將所有需要處理的試件根據處理時間要求分別用紗網包覆，以便于取出。冬季哈爾濱室內溫度介于18～25℃之間，不需特殊設備即可進行預處理，但為避免溫度波動對試驗精度產生影響，試驗在恒溫水浴箱內進行，溫度設定為25℃。

2　試驗結果與分析

2.1試件厚度對其浸水處理效果的影響

經72 h浸泡處理后，3個規格試件（20、40、60 mm）的含水率由最初的26%分別變為61%、55%和47%，試件順紋長度越長，木材增重率越低。這一結果說明，盡管水分以順紋方向進入木材，但水分子移動仍然要受到移動通道的約束，因此試件順紋長度會對水分子進入速率產生顯著影響。這是因為，木材吸著水幾乎存在于木材內所有微孔隙內，而微孔隙的內徑差異較大，其中處于1 nm以下直徑孔隙內的水分約占吸著水總量的50%，2 nm以下直徑孔隙內的水分占吸著水總量的約70%，只有極少一部分孔隙的孔徑超過3.6 nm（不超過5%）[7]。因此，盡管水分子徑級很小，但由于吸著水對微孔隙的占據以及分子間力的相互作用，使得水分子在經過這些通道時變得艱難而緩慢，從而影響了水分子的進入速率。自由水的移動路徑盡管未有吸著水般艱難，但隨著移動路徑的延長，多重移動通道的阻礙作用勢必會大幅降低水分子的移動效率，在宏觀上表現為隨著試件厚度增大，含水率變化逐漸減小。

由于PEG400的分子量遠大于水分子，采用溶劑排出法可以計算PEG400粒子的粒徑，這種算法也是一種相對理想的假設。Stone采用的聚合物粒子粒徑是根據其摩爾體積計算得到的，而聚合物的分子量一般都是范圍值，并不是所有的粒徑都相同，而且粒徑也是將溶劑粒子假設成球體計算，實際的聚合物多為鏈式結構，因此對試樣結果也會產生影響[6]。但通過這種計算可大致得出PEG400的尺寸狀況，從而可了解其進入木材內的難易程度，因此可以推測，順紋長度會對PEG400進入木材產生顯著影響，開展這項研究具有重要的意義。

2.2順紋長度對PEG進入試件效率影響

PEG400進入試件的效率，是指單位時間、單位截面進入木材內PEG400的數量，反映了PEG400在木材內的擴散速率。PEG400進入木材的效率可通過一定時間內木材的增重率來說明，增重率大，則說明木材內PEG400進入量多，反之則說明木材PEG400進入量少。圖1為不同處理時間和不同順紋長度時木材增重率的情況，反映了不同時間段PEG400在木材內含量的變化情況。圖2為不同處理時間段PEG400進入木材速率的情況，反映了每個時間段溶液進入木材表層內PEG400的平均量。

圖1　不同順紋長度木材增重率的變化

圖2　不同順紋長度木材增重速率的變化

由圖1可知，處理時間和木材順紋長度均對PEG400進入木材的量產生顯著影響。隨著處理時間延長，PEG400進入木材的量呈增多趨勢；隨著試件順紋方向長度的增大，木材增重率呈下降趨勢，實際上進入的PEG400量是增多的，但占木材量的比重（即增重率）是下降的。上述現象的出現，與PEG400在木材內的擴散和木材獨特的微孔隙結構密切相關：當木材含水率較高時，PEG400通過擴散的形式在木材內部運動，擴散速率既與移動距離有關，也與擴散移動驅動力有關；PEG400進入木材內部是一個逐漸的過程，其移動驅動力主要依賴于濃度梯度，通過由高濃度區域向低濃度區擴散來實現。木材置于處理溶液中時，由于處理溶液較多，視其濃度為不變量，則開始階段木材內外溶液濃度差較大，使得木材表層內PEG400移動速率較高；而PEG400在木材內移動時，由于濃度差異的變小這種移動速率逐漸減緩，加上部分移動路徑對PEG400的阻礙作用，進一步降低了其在木材內部的移動速率，因此出現了圖2中開始階段PEG400進入木材速率較高、而后進入速率顯著下降的現象。從測試分析來看，處理的前8 h是PEG400進入木材的最主要時間段，3種規格（2 cm、4 cm和6 cm）試件在該時間段內PEG400的進入量分別占到整個過程進入量的54%、52%和40%，進一步說明預處理的初期階段是PEG400進入木材內部的重要時段。由該結論還可以大致計算出，隨著木材試件順紋長度的增大，木材內PEG400的量是呈增大趨勢的，反映了PEG400在木材內的擴散規律。

從各個時間段PEG400的增重速率變化曲線（圖2）來看，增重速率的變化在整個預處理過程中表現為先迅速下降、而后小幅上升、之后再次下降、最后進入持續低位階段的變化過程。這一變化過程充分說明，隨著PEG400沿木材順紋方向移動的深入，其在木材內的含量逐漸下降，移動驅動力即濃度梯度降低，加上PEG400對移動微孔隙的堵塞作用，使其在木材內的移動過程逐步變得困難起來，以致在處理36 h后，增重速率達到非常之小的地步，3個規格（2 cm、4 cm和6 cm）試件在該時間段內PEG400的進入量分別占到整個過程進入量的84%、78%和80%。從該數據來看，試件順紋長度的影響不大，這就為不同厚度木材圓盤預處理方案的制定提供了參考，即一味依靠提高預處理時間的方式并不可取，因為36 h后PEG400在木材內的移動驅動力減弱，此時預處理時間的影響作用已不顯著，此時可通過提高預處理溶液溫度的方式來提高PEG400在木材內的運行動能，進而提高其在木材內移動的能力，提高PEG400在木材內的含量。在24～36 h時間段，PEG400的增重速率有了一個較大提升，且這一現象并不受順紋長度的影響，其原因目前還不清楚，這一節點可能是表層或木材內大空隙PEG400填充到一定程度（有可能是趨于飽和）后開始向木材深度方向和微孔隙擴散的一個轉折點，之后由于微孔隙孔徑較小以及順紋方向部分孔徑的堵塞，向更深深度方向的擴散困難起來，具體體現為增重速率呈現極低的狀況。

2.3PEG對木材干縮特性的影響

PEG400對木材的膨脹效果主要體現在對干縮特性的影響上。木材的干縮濕脹，是細胞壁微纖絲間距離因失水縮小和因吸水增大的宏觀體現。PEG400對木材干縮的影響作用，體現于處理材中PEG400進入細胞壁量的多少，增重率反映的是PEG400進入木材內的重量程度；而干縮特性變化則反映了PEG400進入細胞壁內量的程度，且這一量值決定了處理效果和處理價值，因此有必要對PEG處理后木材干縮特性進行分析，以進一步認識其對處理工藝及設計的影響，為后續的應用研究奠定理論基礎。

表1是不同預處理時間情況下木材弦向、徑向干縮率的變化情況。由表1可知，隨著處理時間的增加，木材兩項干縮率都呈下降趨勢，可說明PEG400能夠進入到細胞壁內，對微纖絲間的距離變化產生影響，這也為鑒定PEG系列藥劑能否進入細胞壁提供了一種方法。PEG400在常溫下為無色、透明液體狀存在的一種無定形物，很難通過常規手段如SEM、FTIR以及SRD等進行鑒別分析，其這一特性給PEG處理材的表征帶來困難。但隨著PEG分子量增大，其進入到木材細胞壁的難度增大，同時其液化狀態存在所需的溫度也越高，這究竟對干縮性能影響如何還有待進一步探究。

從弦徑向干縮系數下降程度來看，與增重率的變化趨勢較為一致，這是因為PEG400由細胞腔進入細胞壁的過程也需要在濃度差的作用力下針對微空隙徑級有序擴散，由于細胞壁大多數微空隙徑級較小，因此處理開始階段PEG400以進入細胞腔等大空隙結構為主，而在微孔隙內的移動更多取決于時間因素，當然環境濃度的影響仍然存在，這就是每個時間段干縮尺寸變化存在一定差異的原因。PEG400在木材內的擴散移動過程對提高處理效果、改良處理工藝具有重要的意義，因此該部分內容還有待進一步研究。從增重率和干縮率隨處理時間的變化來看，處理前8 h的時間段是一個重要的階段，24～36 h階段也是比較重要的時間節點，之后對增重率和干縮性能的影響作用則明顯下降。因此，在對圓盤預處理過程中，可著重從上述兩個節點入手展開測試分析。

表1　不同處理時間的木材干縮率　%

3　結　論

3.1本研究主要從PEG400的進入效率、對干縮特性的影響等方面入手，分析了木材順紋長度對PEG400進入效率的影響，以期為不同厚度、徑級圓盤預處理方案的制定提供基礎數據和分析依據。

3.2研究結果表明，木材順紋長度（相當于圓盤厚度）越大，浸水處理時的吸水效應越弱；試件順紋長度對水分子的進入速率會產生顯著的影響，這主要是由于水分子移動要受到移動通道層層約束所致。

3.3預處理時間對PEG400進入量（即木材增重率）有顯著影響，但36 h之后處理時間的影響程度明顯減弱；相同時間段順紋長度越大，試件的增重率越小，說明順紋長度對PEG400進入木材的效率并無明顯影響。

3.4預處理試件的弦徑向干縮率隨著處理時間的增加呈下降趨勢，與增重率的變化趨勢具有一致性；處理的前8 h左右時間段和24～36 h時間段是影響木材干縮性能的重要時間節點。

參考文獻

［1］A.J.Stamm.Factors affecting the bulking and dimensional stabilization of wood with polyethylene glycols.Forest Prod.J.1964,14(9):403-408.

［2］鄭海威.PEG400預處理對楓樺尺寸穩定性能影響的研究［J］.林業科技，2015,40(3):24-26.

［3］楊亮慶,劉一星,蔡英春.PEG400預處理楓樺圓盤干燥特性研究［J］.西北林學院學報,2013(4):153-157.

［4］楊亮慶.楓樺圓盤預處理及干燥特性研究［D］.哈爾濱：東北林業大學博士論文，2011.

［5］趙俊卿,王喜明,高志悅等.白樺材聚乙二醇改性技術的研究［J］.內蒙古林業科技,1995(1):44-47.

［6］李筱莉,岳翠銀.聚乙二醇處理的木材尺寸穩定性研究［J］.安徽農業大學學報,1993，20(4):353-358.

［7］Stone,J.E.,Scallan,A.M...Structural model for the cell wall of water-swollen wood pulp fibers based on their accessibility to macromolecules［J］.Cellulose Chem.Technol,1968,2(1)：343 -358.

（責任編輯：潘啟英）

Diffusion Efficiency of PEG400 Within Sylvestris and Influence of Shrinkage Characteristics

WANGShuo
（Heilongjiang Academy of Forestry Institute of Wood Science,Harbin 150081）

Abstract Using PEG pretreatment method is the important ways to solve lumber disc dry crack,the diffusion efficiency of PEG in wood and its impact on the drying shrinkage characteristics make pretreatment process of science is of great significance.Mongolica as the research object,USES the weight gain rate,rate of weight gain such as indicators for evaluation basis,wood along the grain direction of PEG400 efficiency and study of dry affected by diffusion.The results show that the suitable grain length,the pretreatment of each period is PEG400 in wood diffusion efficiency of important internal factors,PEG400 in quantity and its impact on the drying shrinkage characteristics have a certain correlation.

Key words PEG400; Diffusionefficiency; Dryingshrinkage characteristics; Mongolica

收稿日期：2015-12-16

通訊作者：楊亮慶（1981-），男，副研究員，研究方向：木材干燥。

作者簡介：第1王碩（1988-），男，研究實習員，研究方向：木材干燥。

文章編號：1001-9499（2016）02-0021-04

中圖分類號：S781.7,S791.22

文獻標識碼：A